Легированные конструкционные стали.

В различных разделах курса «Термическая обработка металлов», имеющих отношение к сплавам на железной основе, сравнивались углеродистые и легированные стали. Здесь уместно сравнить особенности свойств легированных и углеродистых сталей, так как именно это будет определять условия их конкретного использования.

1. Положительные особенности легированных сталей обнаруживаются преимущественно в термически обработанном состоянии. Поэтому из легированных сталей изготавливаются детали, подвергаемые термической обработке.

2. В термически обработанном состоянии (закалка + отпуск) все легированные стали обнаруживают более высокие показатели сопротивления пластическим деформациям σ_т по сравнению с углеродистыми сталями при равном содержании углерода.

3. Большинство легирующих элементов стабилизируют аустенит (увеличивают его устойчивость). В связи с этим при прочих равных условиях прокаливаемость легированных сталей выше, чем углеродистых.  Поэтому нагруженные детали крупного сечения следует изготавливать из легированной конструкционной стали, выбирая при этом сталь такого состава, которая в заданном сечении прокаливается насквозь.

4. В связи с тормозящим действием легирующих элементов на распад аустенита выявляется и другая положительная особенность легированных сталей - возможность применения при закалке «мягких» охладителей (масла).

 

Задача № 5. Какие преимущества имеет закалка в масле по сравнению с закалкой в воде?

 

Ответ: 1) уменьшаются фазовые и термические напряжения; 2) повышается твердость; 3) повышается вязкость.

Закалка в масле в значительной степени снижает брак по закалочным трещинам и короблению. Поэтому при необходимости проведения термической обработки изделий сложной формы, даже когда эти изделия имеют небольшое сечение, применение легированных сталей предпочтительно, так как уменьшается вероятность брака.

6. Повышение запаса вязкости и сопротивления хладноломкости легированной стали после закалки и отпуска происходит за счет легирования (особенно никелем), вследствие чего увеличивается эксплуатационная надежность деталей машин.

7. В высокоотпущенном состоянии влияние легирующих элементов на хрупкую прочность определяется тем, как эти элементы влияют на коагуляцию карбидов и на ферритную фазу. Особенно благоприятное воздействие оказывает никель, резко снижающий порог хладноломкости. Такое влияние никеля имеет место и в сложнолегированных сталях, в составе которых присутствует этот элемент. Влияние легирования на температурный порог хладноломкости среднеуглеродистых сталей можно видеть из табл. 4.

Однако легированные стали имеют и специфические недостатки.

1. Многие легированные стали подвержены обратимой отпускной хрупкости.

2. В высоколегированных сталях после закалки имеется повышенное количество остаточного аустенита, что снижает твердость и сопротивление усталости. Для устранения А_ост требуется дополнительная обработка.

3. Легированные стали склонны к дендритной ликвации, так как скорость диффузии легирующих элементов в железе мала.

Поэтому при кристаллизации дендриты обедняются легирующими элементами, междендритный материал обогащается ими. После ковки, прокатки таких сталей образуется характерная строчечная структура, и увеличивается неоднородность свойств стали вдоль и поперек направления деформирования. Сталь с такой структурой обладает также плохой обрабатываемостью резанием.

 

Задача № 6. Что необходимо сделать, чтобы при прокатке не образовалась строчечная структура?

 

Ответ: 1) подвергнуть слитки диффузионному отжигу; 2) подвергнуть прокат отжигу; 3) подвергнуть слитки неполному отжигу.

 

4. Весьма опасным пороком легированных сталей являются флокены (особенно в сталях, легированных никелем). Флокены представляют собой светлые пятна в изломе. В поперечном сечении флокены обнаруживаются в виде мелких трещин с различной ориентацией. Причиной возникновения флокенов является выделение водорода, растворенного в стали.

Растворимость водорода в стали уменьшается с понижением температуры. При медленном охлаждении стали, водород, выделяющийся из нее, успевает продиффундировать через толщу слитка и флокены не образуются. При сравнительно быстром охлаждении водород не успевает продиффундировать и остается в стали, создавая большие внутренние давления, приводящие к образованию трещин.

В случае если в стали происходят также фазовые превращения, которые протекают разновременно в различных участках слитка из-за неоднородности состава, то появляются дополнительно еще и фазовые напряжения, усугубляющие флокенообразование. Мерами борьбы с флокенами являются: уменьшение содержания водорода в стали при ее выплавке, медленное охлаждение слитков в районе температур флокенообразования (от 200 °С и ниже), а также изотермический отжиг слитков. Сталь, в которой флокены уже образовались, можно исправить прокаткой или ковкой заготовки на более мелкие сечения. При горячей обработке давлением флокены свариваются. Флокено - чувствительные стали отмечены знаком «+» в табл. 4.

5. Легированные стали стоят дороже углеродистых. Кроме того, стали, содержащие никель, являются дефицитными. В табл. 3 и 4 в графе «Индекс стоимости» приводятся данные об относительной стоимости некоторых легированных сталей. За единицу стоимости принята стоимость стали Ст3.

Основные принципы легирования конструкционных сталей. При ознакомлении с легированными сталями следует сопоставлять их свойства со свойствами углеродистых сталей и между собой, используя табл. 2, 3 и 4.

Формы табл. 3 и 4 в максимальной степени приближены к формам таблиц, приведенным в справочниках, где свойства стали указываются в зависимости от сечения. В табл. З и 4 указывается также прокаливаемость стали при закалке в воде и в масле.

В табл. 3 и 4 приводятся свойства наиболее распространенных низко- и среднеуглеродистых конструкционных сталей.

Ниже приводятся общие направления влияния легирующих элементов на свойства сталей.

В качестве конструкционных машиностроительных сталей весьма часто используются стали, легированные хромом (0,8... 1,2 % Сг). Они имеют более высокую прокаливаемость, чем углеродистые стали.

Хром способствует получению высокой и равномерной твердости стали. Порог хладноломкости хромистых сталей составляет 0 °С... -100 °С. В обозначении порога хладноломкости первое значение температуры соответствует температуре, выше которой излом стали совершенно вязкий, а ниже температуры второго значения (-100 °С) - излом полностью хрупкий. Ниже рассматривается влияние дополнительного легирования на свойства хромистых сталей.

 

 

 

 

 

 

Для повышения прокаливаемости хромистые стали дополнительно легируют бором (В ~ 0,003 %). Такие стали имеют порог хладноломкости на уровне соответствующих углеродистых сталей (+20 ⁰C... -60 ⁰C), так как бор повышает порог хладноломкости.

Повышение прокаливаемости достигается также введением в
хромистые стали марганца (D_95м стали 40ХГР порядка 25 мм). Однако марганец содействует росту зерна, повышает порог хладноломкости до +40 ⁰C... -60 ⁰C.

Для измельчения зерна в состав хромомарганцевых сталей
вводится титан (~ 0,1 %). Стали 18ХГТ, 30ХГТ являются распространенными и служат для изготовления относительно небольших шестерен.

Введение в хромистые стали молибдена (0,15... 0,45 %) повышает прокаливаемость, понижает порог хладноломкости до-20... —120 ⁰C; Mo повышает статическую, динамическую и усталостную прочность стали. Mo устраняет склонность стали к внутреннему окислению при нагреве ее в среде эндогаза. Ванадий в хромистых сталях (0,1... 0,3 %) измельчает зерно и повышает вязкость.

Введение в хромистые стали никеля сильно повышает прокаливаемость, понижает температурный порог хладноломкости тем больше, чем больше никеля в составе стали. Дополнительная добавка молибдена снижает отпускную хрупкость, к чему склонны хромистые стали, содержащие никель. Хромоникелевые стали обладают наилучшим комплексом свойств. Но никель – дефицитный металл, поэтому на практике ограничивают использование сталей, содержащих никель.

Легированием хромомарганцевых сталей кремнием создают
стали под называнием хромансиль (20ХГС, 30ХГСА). Эта группа
сталей имеет высокий комплекс свойств прочности и вязкости, хорошо сваривается, штампуется и обрабатывается резанием.

Для повышения прокаливаемости и механических свойств
(вязкости) хромансили дополнительно легируют никелем (сталь
ЗОХСНА). Высокий комплекс прочности и вязкости имеют детали
из хромансилов также после изотермической закалки (сталь ЗОХГС
после изотермической закалки при 280...310⁰ C имеет (σ_в = 165 кГ/мм², σ_0,2 = 130 кГ/мм², δ=9%, ψ=40% и α_н = 4 кГ·м/см²).

Эти стали широко используются в самолетостроении. До 40-х гг.
из стали 30ХГСА изготавливались все наиболее ответственные детали самолетов (шасси, лонжероны и др.). С появлением реактивных
самолетов и сверхтяжелых лайнеров свойства этой стали перестали удовлетворять требованиям промышленности, так как нагрузка на
материал значительно увеличилась. Так, при посадке современного
самолета стойки шасси принимают ударную нагрузку, равную
2... 3 весам самолета. Поэтому основным материалом в современном самолетостроении являются никелевые хромансили типа
ЗОХГСНА.

 

 

8. Для наиболее ответственных деталей применяются сложнолегированные хромо-никель-молибденовые стали типа 18Х2Н4В(М)А и
40ХНМА.

9. С повышением содержания углерода во всех сталях повышается порог хладноломкости, что необходимо иметь в виду при выборе
стали.

Термическая обработка конструкционных сталей. По термической обработке конструкционные стали разделяются на: цементуемые (термообработка: после цементации закалка + низкий отпуск), улучшаемые (термообработка: закалка + высокий отпуск). Особую группу составляют пружинные стали (термообработка: закалка + средний отпуск).

Температурный режим закалки определяется значением критических точек стали и устанавливается по данным справочников. Охлаждение при закалке деталей из углеродистых и малолегированных сталей проводится в воде (лучше в растворахNaOH). Охлаждение сталей с повышенной прокаливаемостью, как правило, осуществляется в масле. Для некоторых сталей, например 18Х2Н4В(М)А, которые являются сталями мартенситного класса, прокаливаемость практически на любые сечения может быть достигнута и при охлаждении на воздухе. Для сталей, склонных к обратимой отпускной
хрупкости, рекомендуется повышенная скорость охлаждения от высоких температур отпуска.

 

Задача № 7. Какую из приведенных в ответе сталей следует использовать для изготовления весьма ответственной детали, работающей в полевых условиях, если после отпуска на 600⁰C все стали подходят по механическим свойствам (σ_т ,δ и др.) (см. табл. 4)?

 

О т в е т: 1) 4OX; 2) 40ХГН; 3) 34ХНМ.

 

Задача № 8. При какой температуре следует проводить высокий
отпуск стали 40ХГ, чтобы избежать обратимой отпускной хрупкости?

 

Ответ: 1) 450⁰C; 2) 600⁰C; 3) 500⁰C.

 

Цементуемые стали

 

Химический состав и механические свойства цементуемых конструкционных сталей определяются по ГОСТ 4543-71.

Как известно, к цементуемым сталям относятся малоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,25 %. Эти стали используются для изготовления деталей, которые в процессе работы подвергаются изнашиванию и от которых требуются высокие механические свойства (сопротивление статическим, динамическим нагрузкам или усталости). Для повышения прочностных свойств имеется тенденция к повышению содержания углерода в цементуемых сталях до 0,25... 0,3 %. Для достижения требуемых свойств детали из
этих сталей могут подвергаться также цианированию или нитроцементации.

Цементуемые стали в зависимости от степени упрочняемости
сердцевины детали принято подразделять на три группы:

углеродистые стали с неупрочняемой сердцевиной;

низколегированные стали со слабоупрочняемой сердцевиной;

высоколегированные стали с сильноупрочняемой сердцевиной.

К третьей группе относятся также сравнительно малолегированные стали с повышенным содержанием углерода 0,25...0,3%. В табл. 3 приведены наиболее широко используемые марки цементуемых сталей, режимы их термообработки по ГОСТ, механические свойства в зависимости от сечения детали, значения прокаливаемости D₅₀, а также индекс стоимости, показывающий во сколько разданная марка стали дороже стали СтЗ.

Принятые условные обозначения следующие: Ц - цементация;
Н.Ц - нитроцементация; Ц.Н - цианирование; З - закалка; О - отпуск; З.в - закалка в воде; З.м - закалка в масле; З.1 - закалка I;
З.11 - закалка II, если проводится двойная закалка; норм. - нормализация; D₅₀, D₉₀, D_99,9 - критический диаметр с полумартенситной структурой и из 95 % и 99,9 % мартенсита в середине образца соответственно. Если после температуры отпуска стоит буква «в» или «м», то это значит, что охлаждение после отпуска должно быть в воде (в) или в масле (м).

Следует отметить, что как в табл. 3 для цементуемых сталей, так
и в табл. 4 для улучшаемых сталей приведены режимы термообработки по ГОСТ для контрольных образцов при приемке стали. Такая
термообработка обеспечивает получение гарантируемых свойств
образцов.

Реальные детали могут обрабатываться по совершенно другим
режимам. Так, детали из малоуглеродистых сталей 2OX, 18ХГТ,
I2XH3A и др. подвергаются цементации, закалке и низкому отпуску, а для образцов при приемке этих сталей по ГОСТ рекомендуется
применять только закалку и отпуск. Для деталей фактически не
применяется и двойная закалка и др.

Для более полной характеристики сталей в справочниках приводятся и дополнительные важные данные - графики изменения механических свойств в зависимости от t_отп, (рис. 12, а, б).

 

Задача 9. Какой материалследует выбрать для изготовления
шестерен коробки передач, если толщина зуба равна 6 мм? Изгибающее усилие в ножке зуба может доходить до 50 кГ/мм². Твердость в поверхностном слое глубиной 1,5мм должна быть не ниже 60 HRC. Какой должен быть режим термообработки детали?

 

Ответ: 1) сталь 15Х, наследственно мелкозернистая; Ц + З.м +
+ О при 200 ⁰C; 2) сталь 20ХГР; Ц + З.І.м + З.ІІ.м + О при 200⁰C;
3) сталь 14ХГ2СР; Ц+ норм. + З.м + О при 180 ⁰C.

 

Задача № 10. Какую сталь следует выбрать для изготовления
поршневого пальца двигателя внутреннего сгорания диаметром 35 мм, если материал в детали должен иметь σ_т ≥ 60 кГ/мм², ψ ≥ 40 %, α_н≥10 кГ • м/см², твердость 60 HRC?

 

Ответ: 1) сталь 12ХНЗА, Ц + З.м + О при200⁰C;

2) сталь 20ХГНР, Ц + З.в + О при 200⁰C;

3) сталь 14ХГ2СР, Ц + норм. + З.в + О при 180 ⁰C.

 

Цементуемые стали наиболее широко используют для изготовления шестерен, так как высокая твердость в поверхностном слое
повышает усталостную прочность зубьев и уменьшает осповидный
износ (питтинг).

Сущность осповидного износа заключается в образовании в поверхностном слое усталостных микротрещин от циклического действия нагрузки при работе. Постепенно от поверхности зуба отделяются небольшие чешуйки металла и образуются оспины (язвы). Чем выше твердость поверхностного слоя и предел текучести сердцевины зуба, тем выше контактная выносливость и общая усталостная прочность зубьев шестерни.

В условиях массового производства нитроцементация малоуглеродистых сталей и карбонитрирование высоколегированных сталей имеют преимущества перед простой цементацией. Применение нитроцементации углеродистых сталей обеспечивает лучшую прокаливаемость поверхностного слоя, что позволяет получить высокую твердость и износостойкость деталей при закалке в масле, в то время как цементованный слой при закалке в масле имеет пониженную
твердость переходных структур.

Новой сталью для карбонитрирования является сталь 25ХГМТ.
Эта сталь близка по прокаливаемости к стали 12Х2Н4А и рекомендуется в качестве заменителя хромоникелевой цементуемой стали.
Сталь 25ХГМТ обладает хорошими технологическими свойствами.
Она используется для изготовления шестерен в автотракторной промышленности, упрочняемых карбонитрированием или закалкой.

Карбонитрирование сталей типа 12Х2Н4А, 20Х2Н4А приводит к
резкому увеличению (до 60...70 %) остаточного аустенита, снижающему контактную и усталостную прочность деталей. По данным
ЗИЛа предельно допустимое содержание Ni в карбонитрированных
сталях составляет 1,2 % (сталь 20ХГНТР).

Для повышения усталостной прочности карбонитрированных деталей в ряде случаев применяется дробеструйный наклеп поверхностного слоя. Считается, что прочность деталей при этом повышается как за счет образования сжимающих напряжений, так и за счет структурных изменений в поверхностном слое, которые проявляются в уменьшении количества остаточного аустенита.

Как отмечалось выше, устранение остаточного аустенита в легированных сталях можно достичь нагревом их перед закалкой до
температуры - 650 ⁰C

В целях повышения производительности в ряде случаев можно
заменитьцементацию поверхностной закалкой ТВЧ с низким отпуском (180 ⁰C) сталей типа 55ПП (в стали содержится 0,55% С, буквы «ПП» означают пониженную прокаливаемость). При этом получают твердость 61... 61,5 HRC на глубине 1...2 мм.

 

 

 

 

 

Рис. 12. Зависимость свойств сталей от температуры отпуска:

а - сталь 18ХГТ; б - сталь ЗОХГ